一种轮式机器人平台精确控制方法技术

本发明专利技术公开了一种轮式机器人平台精确控制方法，包括如下步骤：步骤(1)轮式机器人平台纵横向耦合规律；步骤(2)轮式机器人平台的结构设计；步骤(3)轮式机器人平台的仿人智能控制算法；步骤(4)仿真试验与验证；步骤(5)实车试验与验证。本发明专利技术所述轮式机器人平台的智能运动控制方法，最终实现轮式机器人平台的精确运动控制，不仅对提高轮式机器人的性能有着重要的实际意义，而且对理论研究和以后的产品商业化亦有着重要的意义，满足实际应用需求。

An accurate control method for wheeled robot platform

The invention discloses an accurate control method for a wheeled robot platform, which comprises the following steps: (1) longitudinal and lateral coupling law of a wheeled robot platform; step (2) structural design of a wheeled robot platform; step (3) humanoid intelligent control algorithm for a wheeled robot platform; step (4) simulation test and verification; and step (5) real vehicle. Test and verification. The intelligent motion control method of the wheeled robot platform described in the invention can ultimately realize the precise motion control of the wheeled robot platform, which has important practical significance not only for improving the performance of the wheeled robot, but also for theoretical research and commercialization of the products in the future, and meets the practical application requirements.

【技术实现步骤摘要】
一种轮式机器人平台精确控制方法
本专利技术涉及一种轮式机器人平台精确控制方法，属于轮式机器人控制

技术介绍
随着科技的发展，机器人技术已经发展成为了一门融机械、电子、传感器、计算机、认知及社会科学等多种学科为一体的交叉性前沿学科，机器人技术直接关系到国家的产业竞争力、经济与国防实力等要素，是衡量一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人技术的应用越来越广泛、研究日益活跃，机器人不仅可以帮助人们在危险、恶劣等环境中进行作业，还能减轻人的劳动强度，提高生产效率，因此广泛用于工农业、国防、科学实验、服务(医疗、家政、娱乐、安防、导游)等领域，极大地方便人们的工作和生活。移动性较强的地面移动机器人，具有较强的环境适应能力，一直以来都是国内外众多专家学者探索和研究的对像，也是机器人发展的一个重要分支。地面移动机器人按照移动的方式主要分为轮式移动机器人、步行移动机器人、蠕动机器人、履带移动机器人和爬行机器人等。由于轮式移动机器人在结构化的运动环境中具有良好的稳定性、较高的效率、较快的移动能力，并且能够在保持机体方位不变的前提下沿平面上任意方向作直线运动或在原地旋转任意角度，非常适合于空间有限、狭窄、对机器人的机动性要求较高的场合工作，本项目重点研究的即是轮式移动机器人。随着机器视觉、人工智能、自动控制等理论与技术的发展，越来越多更加有效的智能算法被设计出来，不断提升着轮式移动机器人的智能控制能力，推动了轮式移动机器人从遥控到半自主控制、再到全自主控制的不断发展。在轮式移动机器人的发展过程中，底层机器人平台的性能，特别是运动控制性能始终是影响轮式移动机器人智能控制能力的关键因素之一。轮式机器人平台的运动控制研究在国内外一直是人们研究的热点，而作为轮式机器人平台运动控制核心内容的纵向控制和横向控制也越来越引起研究人员的重视。横向控制是指控制轮式机器人平台在不同的速度、载荷、路况以及风阻等条件下自动跟踪期望路线，并保持一定的平稳性要求，实际上也就是轮式机器人平台的转向控制。在横向的转向控制方面，一般考虑基于视觉感知的预瞄模型，控制算法以最优控制或模糊控制最为常见。纵向控制是指在行驶方向上的控制，即轮式机器人平台的速度以及障碍物距离的控制，在纵向的驱动控制方面,以PI控制器为主,此外还有基于Lyapunov稳定性理论的控制器考虑轮式机器人平台的的非线性和参数不确定性的模糊滑模变结构控制器等。当实现了纵向和横向自动控制，就可以按给定目标和约束自动控制轮式机器人平台的运动。目前在对轮式机器人平台运动控制的研究中，大多是将纵向控制与横向控制设计为两个独立的互不联系的控制器，而忽略了其相互耦合的影响。实际行驶的轮式机器人平台是一复杂的非线性、变参数耦合系统，存在着不确定性，特别是系统参数在不同速度下其值是不确定的，并且运动载体对控制的实时性要求较高，纵向和横向存在很强的耦合关系，横向控制时要考虑纵向参数，纵向控制时要考虑横向参数，横向与纵向的解耦又比较困难，所以单独研究纵向、横向控制将导致控制器误差偏大，影响轮式机器人平台的控制精度。在美国的AHS计划中，提出了综合考虑平台纵向和横向统一控制是平台自主行驶研究中的一个关键内容。Sheikholeslam和Desoer提出了一种对车列的纵横向耦合组合控制策略，他们通过分析纵横向各种可能的藕合因素，对车列中的每一辆车建立了详尽的运动学模型和纵横向统一控制器，并且包含了对非线性建模，提出一种非线性控制策略，以保持车间间距，并使每一辆车保持在车道中心行驶。我国现在涉及轮式机器人平台纵横向综合控制的研究还很少，李以农研究了针对平台在弯道变速行驶工况的动力学藕合控制问题，提出了一种基于滑模和动态表面控制的纵横向藕合组合控制器，李琳辉建立了针对越野环境中平台的纵横向耦合控制系统模型。至今，仍然缺乏针对轮式机器人平台纵横向耦合关系一般规律的研究。精确运动控制技术是轮式机器人平台的关键技术之一，也是轮式机器人平台完成各种任务的首要前提。目前轮式机器人平台传统的运动控制方法主要有PID控制、神经网络控制、最优控制、滑模控制和预测控制等，它们各自有各自的优点，同时，也都具有自己的局限性。由于轮式机器人平台所处环境的复杂性，而且其本身是一个非线性时变系统，很难用精确的数学模型来描述，对基于模型的传统控制方法难以满足轮式机器人平台对精确运动控制的设计指标要求。然而在传统控制理论的基础之上不断融入人工智能的思想，是解决这种控制难题的一个重要途径，智能控制因此而产生。其中，仿人智能控制是一种比较新颖的智能控制方法，其基本思想是仿人、仿智，在控制过程中利用计算机模拟人的控制行为功能，最大限度地识别和利用控制系统动态过程所提供的特征信息进行启发和直觉推理，从而实现对缺乏精确模型的对象进行有效的控制。综上所述，本项目旨在研究轮式机器人平台横纵向运动耦合关系的一般规律，构建具有耦合特性的轮式机器人平台运动学和动力学模型，设计并研制出轮式机器人平台系统样机，提出一种轮式机器人平台的智能运动控制方法，并进行仿真试验验证和实车试验验证，最终实现轮式机器人平台的精确运动控制，不仅对于提高机器人的性能有着重要的实际意义，而且对理论研究和以后的产品商业化亦有着重要的意义。
技术实现思路
本专利技术是针对现有技术存在的不足，提供一种轮式机器人平台的智能运动控制方法，最终实现轮式机器人平台的精确运动控制，不仅对提高轮式机器人的性能有着重要的实际意义，而且对理论研究和以后的产品商业化亦有着重要的意义，满足实际应用需求。为解决上述问题，本专利技术所采取的技术方案如下：一种轮式机器人平台精确控制方法，包括如下步骤：步骤(1)轮式机器人平台纵横向耦合规律以轮式机器人平台纵向、横向和横摆运动这三个自由度(暂时不考虑轮胎纵向力和横向力的藕合等)，简化转向系统，直接以前轮转角作为输入，并且轮式机器人平台左右两侧动力学对称，则轮式机器人平台的动力学方程为(轮式机器人平台坐标系及其模型，如图1所示)：其中，m为平台质量；IZ为平台绕Z轴的转动惯量；Vx为平台纵向速度；Vy为横向速度；δ为转向轮转角；为横摆角速度；Froll为滚动阻力；cx为纵向风阻系数；cy为横向风阻系数；lf：质心至前轴的距离；lr：质心至后轴的距离；步骤(2)轮式机器人平台的结构设计步骤(3)轮式机器人平台的仿人智能控制算法(3.1)确定目标轨迹根据轮式机器人平台自主行驶时对性能指标的要求，首先确定出其理想的单位阶跃响应过程，然后把这个过程变换到误差相平面上，以设计出理想的误差轨迹，最后把这条理想的误差轨迹当做仿人智能控制器进行设计的目标；(3.2)建立特征模型依据所确定的目标误差轨迹在误差相平面上所处的不同位置，选择合适的特征基元集Qi，并划分出不同的特征状态区域，以构建出所需要的特征模型Φi；(3.3)设计控制规则和控制模态集首先根据轮式机器人平台自主行驶时其状态所处的特征模型与目标轨迹之间的差异和目标轨迹的移动趋势等，设计出各种不同的具体控制模态，并确定出各种控制模态中的具体参数，然后根据各种特征模型，确定不同的控制模态；步骤(4)仿真试验与验证设计普通弯道、直角弯道、“8”字形道路等典型道路轨迹，在SIMULINK中进行仿真实验与调试，验证和完善所提出的轮式机器人平本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轮式机器人平台精确控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤(1)轮式机器人平台纵横向耦合规律以轮式机器人平台纵向、横向和横摆运动这三个自由度(暂时不考虑轮胎纵向力和横向力的藕合等)，简化转向系统，直接以前轮转角作为输入，并且轮式机器人平台左右两侧动力学对称，则轮式机器人平台的动力学方程为(轮式机器人平台坐标系及其模型，如图1所示)：

【技术特征摘要】
1.一种轮式机器人平台精确控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤(1)轮式机器人平台纵横向耦合规律以轮式机器人平台纵向、横向和横摆运动这三个自由度(暂时不考虑轮胎纵向力和横向力的藕合等)，简化转向系统，直接以前轮转角作为输入，并且轮式机器人平台左右两侧动力学对称，则轮式机器人平台的动力学方程为(轮式机器人平台坐标系及其模型，如图1所示)：其中，m为平台质量；IZ为平台绕Z轴的转动惯量；Vx为平台纵向速度；Vy为横向速度；δ为转向轮转角；为横摆角速度；Froll为滚动阻力；cx为纵向风阻系数；cy为横向风阻系数；lf：质心至前轴的距离；lr：质心至后轴的距离；步骤(2)轮式机器人平台的结构设计步骤(3)轮式机器人平台的仿人智能控制算法(3.1)确定目标轨迹根据轮式机器人平台自主行驶时对性能指标的要求，首先确定出其理想的单位阶跃响应过程，然后把这个过程变换到误差相平面上，以设计出理想的误差轨迹，最后把这条理想的误差轨迹当做仿人智能控制器进行设计的目标；(3.2)建立特征模型依据所确定的目标误差轨迹在误差相平面上所处的不同位置，选择合适的特征基元集Qi，并划分出不同的特征状态区域，以构建出所需要的特征模型Φi；(3.3)设计控制规则和控制模态集首先根据轮式机器人平台自主行驶时其状态所处的特征模型与目标轨迹之间的差异和目标轨迹的移动趋势等，设计出各种不同的具体控制模态，并确定出各种控制模态中的具体参数，然后根据各种特征模型，确定不同的控制模态；步骤(4)仿真试验与验证设计普通弯道、直角弯道、“8”字形道路等典型道路轨迹，在SIMULINK中进行仿真实验与调试，验证和完善所提出的轮式机器人平台的协调运动控制方法，为轮式机器人平台的精确运动控制提供方法指导，为进一步的实车实验提供理论依据；具体包括：(4.1)普通弯道和直角弯道道路轨迹普通弯道道路轨迹设计，如图4所示，其方程为：直角弯道道路轨迹设计，如图5所示，其方程为图4中θ＝π/2的特殊情况；(4.2)8字形试验道路轨迹8字形道路轨迹设计，如图6所示，其方程为：步骤(5)实车试验与验证以设计的轮式机器人平台仿人智能运动控制器应用于对实车的控制，包括静态试验和动态试验：(5.1)静态试验所设计的智能运动控制器在仿真试验的基础之上，用于实车控制，测试和验证轮式机器人平台两...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫忠，张军，孙文芳，
申请(专利权)人：安徽新华学院，
类型：发明
国别省市：安徽,34